[发明专利]投射多频光栅的物体表面三维轮廓的视觉测量方法

说明书

技术领域  物体表面三维轮廓测量技术领域

背景技术

采用计算机视觉测量物体轮廓技术是目前三维测量的研究热点，它具有结构简单、非接触、高速度、高精度和高可靠性的优点。可广泛地应用于航空航天、机械制造、医疗诊断、计算机辅助设计与制造、逆向工程设计、虚拟现实和三维动画制作等领域。

用二维光学图像恢复物体的三维几何信息，主要有两方面的技术难点：一是光学图像的灰度虽然反映了三维物体的几何信息，但又与物体的材料、纹理、光源等其它许多因素有关，因此，由二维图像恢复物体三维几何形状是一个具有多解性的反问题；二是用多幅二维图像恢复三维信息，必须解决点的“对应”问题，即确定多幅图像间特征点之间的对应关系，这也是一个多解问题。

通过将具有正弦分布的光栅投射到被测物体的表面，由摄像机采集由于物体表面的起伏使光栅条纹发生畸变的图像，通过相位移动技术，获取与物体高度相关的相位信息。这项技术为解决用二维光学图像恢复物体的三维几何信息的多解性问题提供了条件。然而，投射光栅条纹提取的相位在-π与π之间折叠，存在着2π折叠问题，需要进行相位展开才能得到真实相位。对于理想的简单相位图，相位展开十分简单，在展开方向上，比较两个相邻点的相位，如果两者的相位差大于-π，则后一点加上2π，如果两者的相位差大于π，则后一点减去2π。但是，如果物体表面的变化也使得两个相邻点的相位变化大于π，则相位展开无法进行。因此相位展开成为制约三维测量技术应用的一个瓶颈问题。

专利(CN 1203292C)通过Gray编码，将测量区域分割成2^N个条形区域，再利用多步相移测量技术获得每个区域的相位，两者的组合避开了相位展开问题，而且，只要根据相位和外极线的约束就能够解决左右图像上像点的“对应”问题。但是，这种方法会由于马赫范得效应(Mach Band Effect)会产生错误的编码，并且这种方法对于测量环境要求高，噪声敏感。

一种称作双频轮廓术的方法，首先在全场投射只用一个条纹的光栅，则测量范围内所有像点的展开相位与折叠相位相同，分布在-π与π之间，无须展开；然后投射有多个条纹的光栅，由多条纹光栅获得的相位存在2π折叠问题，以单条纹光栅的相位为参考，利用相位与高度的关系确定多条纹光栅相位展开时的增减2π的数目。由于单条纹相位中含有较大的噪声，在以它为参考直接展开多条纹光栅相位时，会产生较大误差。还有一些采用多个光栅的投影方案，如光栅条纹指数递增方案(f＝1，2，4，8，16，32，64，128)，需要投射的光栅数目较多。

发明内容

通过向物体表面投射三个(或多个)频率的光栅，由安装在投影机两侧的摄像机拍摄被物体表面调制的光栅条纹，采用一种新的相位展开技术，计算左、右摄像机拍摄图像上的每一点的相位，以相位值和立体视觉中的外极线作为约束，实现左、右两幅图像上的点的唯一匹配，进而求出物体表面各点的三维坐标。

它包括如下步骤：

(1)计算机生成虚拟光栅，其中包括三组相移光栅，利用投影仪将生成的光栅投射到物体上；

(2)利用两台摄像机采集物体上的条纹图像，并保存在计算机的内存中；

(3)对每一个摄像机拍摄的图像采用新的相位展开技术进行处理，得到图像上每一点的相位值；两个摄像机拍摄的图像上，对应在物体表面上同一点的相位值是相等的，因此，可用相位值作为对应点的匹配的依据。

(4)对两个摄像机进行定标，得到摄像机的内部参数即相对于世界坐标的外部参数：

(5)根据相位和外极线对每一点进行三维重构，计算物体表面点的三维坐标：

1、投射三个(或多个)频率的光栅，三个光栅的频率之间具有如下特征：

(1)三个光栅都具有较高的频率，使测量的相位具有较高的精度，按照频率从高到低三个光栅的频率分别为f₁、f₂、f₃；

(2)光栅频率的关系：f₁-2f₂+f₃≤1

(3)投射光栅，物体表面的光强可表示为：